核辐射环境监测是环境监测中重要的组成部分，辐射环境监测最早可追溯到第二次世界大战期间，美国为研制原子弹，在汉福特建造了生产钚的反应堆，来自哥伦比亚河的水被作为反应堆冷却剂后，开始流入环境，由此引起了人们对环境影响的关注，从此开始了核辐射环境监测的历史；后来的核试验、温次凯尔河三里岛事故又把辐射环境监测的深度和广度推进了一步；1986年的切尔诺贝利事故则把快速报警和自动监测网络技术的重要性提高到新的高度；2011年的日本福岛核事故再次考验了各国辐射监测系统，对未来核辐射监测系统在网络管理平台信息化、管理程序化、技术规范化、装备现代化、质量系统化等方面提出了更高的要求。

目前，国内核辐射环境监测管理信息系统的基本框架大多引用LIMS（Laboratory Information Management System，即实验室信息管理系统），并在此基础上融合了GIS、OA等技术，在实际应用中暴露出以下缺点：①任务流程设置和数据录入形式单一，没有发挥计算机的应有效能，不能兼顾较为复杂的任务安排，难以进行深度、灵活的数据分析应用，缺乏数据深度分析，后台信息维护困难^[1]。②核辐射环境监测主要以人工采样和实验室分析为主，监测领域较窄^[2]。③监测成本大，不同地区需要重复投入建设，资源利用率低，也造成了数据分散，缺少对数据的深入挖掘^[3]。随着物联网技术和智能传感技术的发展，为辐射环境监测提供了很好的技术支撑^[4-5]，能比较完美地解决以上问题，满足核辐射环境的监测要求。

本文在总结我国辐射环境监测现状的基础上，采用物联网技术，提出基于物联网技术的核辐射环境监测方案，重点设计了系统的感知层、网络层和应用层设计。

1 总体结构

为监视环境中辐射水平的变化，对环境中的辐射水平进行连续自动监测是十分重要的。尤其是在苏联切尔诺贝利事故发生之后，环境辐射水平连续自动监测系统在欧洲、美国、日本得到了很大的发展，形成两类网络：一种是或多或少在全国范围内分布的监测网络，用于事故早期报警或民防目的；另一种是以核电为中心的局部性网络，用于核电厂的事故报警和环境监测^[6-7]。2011年的日本福岛核事故考验了各国的核辐射环境监测系统，由于目前大多数监测系统都是基于LIMS系统，暴露出了诸如各级各部门监测机构协同合作和数据共享不畅，监测点布置不合理^[8-9]，监测设备极端条件下可靠性差、环境取样监测不够快速等问题。

鉴于以上存在问题，结合物联网技术设计了辐射环境监测系统^[10]，其总体结构如图1所示。根据物联网技术具有全面感知，可靠传输，智能处理的特点，将核辐射环境监测系统总体构建分为感知层、网络层和应用层3层，其中感知层主要通过X射线、γ射线、β射线、中子等探测器以及气象参数监测器等来监测陆地γ辐射、空气（包括气溶胶、沉降物、氚）、水、底泥、土壤、生物的放射性^[11]；网络层完成感知层测量数据的传输；应用层实现监测数据的处理、分析、查询，从而实现核辐射现场智能化采集、定位、追踪、监测和管理。

2 设计原则 2.1 系统性和标准化原则

依据系统工程原理，环境辐射监测内容和监测方法严格遵循相关国家标准，系统设计在统一原则指导下进行。硬件系统标准化、模块化，数据库唯一性，软件多客户端性，同时提供Web查询功能。

2.2 全方位、多层级和立体化原则

辐射环境监测必须是全方位的，由于辐射环境监测涉及监测项目（参照3.2）较多，所以系统根据辐射环境监测行政管辖区域划分，采用多层级设计，遵循立体化设计和分级管理原则，最终实现全方位监测。

2.3 兼容性、可扩展性和易维护原则

从硬件角度看，除了考虑模块化设计，还需考虑探测器模块更新可能带来的兼容性问题，比如探测器数据传输端接口可能不同，通信方式可能不同。从软件角度看，不论硬件监测设备如何变化，都能通过同一个软件平台进行监测，例如未来新的核设施建立，必定会增添新的监测设备，从而需要对新的设备进行控制，因此要求软件平台必须具备可扩展性。除此之外，硬件软件都必须具有易维护性。

2.4 数据安全和智能分析原则

辐射环境监测所获得的总数据由环保部统一监管，下级行政部门根据自己管辖区域范围添加辖区范围内监测数据，主要是室外取样室内测量部分数据输入数据库。数据库除了提供根据用户权限查询数据的功能外，还必须具备大数据分析功能，例如在核事故后，根据测量数据和该地区地理环境和气象参数预估某一地区辐射扩散趋势，为决策层提供给决策支持等。

3 方案设计

遵循以上设计原则，设计物联网辐射环境监测系统，其总体方案如图2所示。

3.1 感知层设计

在物联网辐射环境监测系统中，感知层设计主要包括探测器控制、采集数据、数据传输、采集点GPS定位，以及原始采集数据的预处理分析等，具体监测对象和监测频次详见表1所示。感知层设计主要为硬件布置，在设计时，必须充分考虑设备的可维护性，以及一定的冗余性，确保系统的稳健运行。

3.1.1 感知端设备

环境γ辐射监测仪采用了GE公司的RSS-131型高压电离室环境γ连续监测仪。气溶胶、碘监测采用中国辐射防护研究院的CAM-II放射性气溶胶、碘连续监测仪。测氡仪选择堪培拉仪器公司的RAD7型电子测氡仪。气象仪、感雨计选用DAVIS公司的VantagePro2无线气象站/自动气象站。

GPS定位和GSM/GPRS通讯模块采用了ATK-SIM900A模块。ATK-SIM900A模块是SIMCOM公司出品的工业级双频（900/1800 MHz）GSM/GPRS模块，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息传输。

3.1.2 感知端方案

核辐射环境野外固定监测点设计方案如图3所示。

3.2 网络层设计

考虑到辐射环境监测特殊性、广域性、监测点布置密度不定性、以及监测点可扩展性，系统采用GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务的简称）与ZigBee结合的无线通信方式。

3.2.1 GPRS通讯

在监控点间距较大的地方，像区域性环境辐射监测，ZigBee组网成本较高，改采用GPRS无线通信技术。

GPRS常见组网方式有专线联网、企业公网联网、拨号联网、GPRS内网联网。GPRS应用模式有永远在线模式、定时传输模式、中心呼叫模式、数据触发模式和节点模式。从系统安全性、通信速度、通信质量稳定性和通信实时性方面考虑，本系统GPRS通讯采用了专线联网永远在线的GPRS通讯方式。由于系统需要双向传输各种数据、文本信息，所以采用了Socket软件通讯方式，这样可以将监测数据按照文本的传输方式传送到数据中心的服务器上，然后再由汇总点的服务器自动从文本中解码得到监测数据，这样既保证了数据传送效率，也确保了传送过程中数据的安全。

3.2.2 ZigBee通讯

在监控点布点密集监控区域，像核电站和拥有反应堆的科研院所等管辖区域，采用ZigBee通讯方式。ZigBee核心技术是软件协议栈，ZigBee模块通讯时发射功率较小，以系统采用的CC1020为例，其发射功率只有4.5 dBm，适合在小范围内无线通讯。ZigBee常见的网络拓扑结构有星状（Star）、网状（Mesh）和簇状（Cluster），本系统ZigBee通讯组网采用了Mesh拓扑结构，如图4所示。

ZigBee采用Mesh拓扑结构设计，可以使每个网络节点的距离从标准的75 m，扩展到几百米甚至几公里。同时，整个ZigBee网络还可以与现有的其它的各种网络连接，像Wifi、GPRS、3G/4G、UWB、Celluar网络等。

3.3 应用层设计

感知层采集的辐射监测数据已通过网络层存储在数据库中，应用层要做的是根据客户的需求，设计相应的应用系统。应用系统主要是实现查询数据库，处理分析相关数据，最后显示分析结果的功能。应用系统包括4个子系统（见图5），分别为综合管理系统、涉核单位监管系统、环保部门监管系统和公众查询系统。

3.3.1 综合管理系统

综合管理系统主要由核安全管理司操控，该系统具有查询历史数据功能，下级部门权限设置功能，下级单位管辖区域划分功能，全国辐射环境评价和环境辐射信息Web发布功能，核事故后决策支持功能，核事故扩张趋势预估功能，以及系统数据库操作功能。

3.3.2 涉核单位监管系统

涉核单位监管系统采用开发式设计，主要是供涉核单位（如核电厂、拥有核反应堆或辐照加工设备的单位、核废料处置场地等）的辐射监管部门使用。涉核单位根据自己单位的辐射特点，遵循国家相关辐射环境监管法规，在自己所辖区域内设立监控设备，这些监控设备采集数据通过标准统一的带有测量点GPS定位的数据发送模块，发送到涉核单位监管系统的服务器上，涉核单位监管系统提供查询和分析处理这些数据的功能，同时将这些数据通过网络上传到综合管理系统的服务端，监测数据最终保存在综合管理系统唯一有权限操作的数据库中。

3.3.3 环保部门监管系统

环保部门监管系统与涉核单位管理系统类似，但是环保部门所辖需要监控的区域更广，监测周期设置相对较长，同时还涉及部门室外采样室内分析结果的数据库录入。

3.3.4 公众查询系统

公众查询系统采用Web设计，查询综合管理系统审核过的辐射环境监测数据，公众可以在其中找到最新的辐照剂量率、累计辐照量和土壤水中放射性情况等，数据更新时间周期严格按照国家相关监测标准中规定的监测周期执行。

4 结　语

本文从当前核辐射环境监测系统现状出发，分析了大部分基于LIMS监测系统普遍存在的问题，设计了一种基于物联网技术的核辐射环境监测系统，实现了监测设备的分级管控、监测数据的统一管理、权限查询、数据信息深度挖掘，同时系统还有一定的核辐射扩散趋势初步预估功能，具有一定的实用价值。